机械结构的疲劳寿命预测与可靠性方法研究

2018-10-12靳峰雷

中国设备工程 2018年19期

关键词：机械设备寿命可靠性

靳峰雷

(中国原子能科学研究院，北京 102413）

目前工程项目建设规模扩大，工程建筑项目开展的过程中，做好机械结构疲劳寿命预测工作是极为必要的，选用可靠性方法不仅能够保证机械结构安全性，而且还能大大提高机械运行效率。

1 理论介绍

1.1 机械结构疲劳

机械设备长时间运行会出现疲劳现象，严重者还会产生裂纹，导致机械设备完整性被破坏，这在一定程度上会加大机械设备运行风险，降低机械结构可靠性。机械设备疲劳表现在两方面，第一方面即机械结构发生塑性应变，第二方面即机械设备发生弹性应变，由于机械设备疲劳受多种因素影响，如果影响因素未能合理控制，那么疲劳度会在短时间内大大增加。常见影响因素主要有温度、载荷等，因此，预测机械结构疲劳度寿命时应综合考虑，这对疲劳度等级划分有依据作用。

1.2 机械结构可靠性

机械结构可靠性贯穿于设计阶段、实际使用阶段、维修养护阶段，机械结构可靠性影响因素较多，其中，材料性质、材料尺寸及形状、使用环境、负载情况对可靠性有关键性影响，间接影响机械设备使用性能以及使用寿命。随着机械结构运行时间的延长，机械机构故障问题随之增多，会不同程度的威胁建筑工程安全性，基于此，相关部门高度关注，并分析机械结构疲劳问题产生原因，提出问题处理的相应措施，制定机械结构可靠性方法。

2 基本现状

机械结构之所以会出现构件失效现象，主要是因为机械结构疲劳寿命缩短导致，现如今，机械设备应用范围不断拓展，机械设备只有增强性能，才能提高在高温、高速这类严苛环境中的适用性。随着科学技术的不断发展，机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法不断创新，这对机械结构优化有重要意义。

2.1 疲劳寿命预测现状

目前，相关学者深入研究机械结构疲劳寿命论题，研究视域相对广阔，针对多类型交通工程展开分析。实际预测的过程中，以虚拟模型构建为基础，有步骤进行疲劳寿命测试。其中，所构建的虚拟模型具有成本低廉、先进技术融合应用等优点，但虚拟模型呈现的真实性较差。物理测试虽具有较强真实性，并且物理试验可行性较高，但物理测试期间会浪费较多人力资源和物力资源。为了提高机械结构疲劳寿命预测科学性与真实性，疲劳寿命预测工作应深入、持续推进。

2.2 可靠性方法研究现状

机械结构可靠性方法探究最早于上世纪20年代开展，这项研究活动得到了国内外学者的高度关注，并且研究学者组织了多样化实践活动，通过组织实践案例、分析实践案例结果来分析机械结构可靠性。随着科学技术的不断升级，可靠性研究方法相应完善。我国应结合机械结构应用实际情况探索可靠性方法，尽最大可能提高机械结构可靠性。

3 机械结构可靠性提升措施

要想提升机械结构可靠性，应遵循相关设计流程，并提高各个零部件设计精度，增强机械结构疲劳强度，具体措施分析如下。

3.1 遵循相关流程

机械设备质量等级判断的过程中，以可靠性指标作为判断依据，要想得到真实的机械设备质量判断结果，应加大可靠性研究深度。可靠性设计期间，遵循基本流程，通过产品定义、相似技术整理及分析、重新整合载荷条件、调整产品维修计划。可靠性设计各环节间紧密联系，并且各环节相互影响，一旦某个环节质量工作不到位，那么会影响机械结构整体质量，为建筑工程项目留下安全隐患。如果机械可靠性设计工作随意执行，并未按照流程操作进行，机械运行的可靠性就得不到保证，还会拉低整体设计水平，最终呈现的设计效果达不到预期要求，影响机械结构使用性能以及安全性。

3.2 提高零件精度

机械结构部件精度控制情况对可靠性提升幅度有重要影响，因此，优选材料时应严格检验材料质量，分析材料的力学性能，据此预测材料疲劳失效几率。通过提高零件精度来增强机械结构可靠性，这种方法可行性较高，并且推广范围较广。如果零件精度未能合理控制，即材料质量检验工作不到位，机械结构可靠性得不到保证，最终机械结构疲劳寿命会大大缩短。

3.3 增强疲劳强度

机械结构有序组装、机械设备顺利安装后，机械设备运行环境基本确定，并且机械设备环境调整几率较低。要想调整机械结构疲劳强度，从机械零件入手，通过调整机械结构零件、检验零件材质来控制疲劳强度，这对机械结构裂纹缝隙控制有重要意义，能够缩小裂缝范围，避免裂缝拓展。

4 机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法研究趋势

4.1 疲劳寿命预测趋势

现如今，建筑工程行业不断发展，为了全面保障建筑工程安全性，在规定时间内完成施工任务，应准确预测机械结构疲劳寿命，采取有效措施提高机械结构可靠性。机械结构疲劳损伤影响因素主要包括三种，第一种即环境，第二种即材料，第三种即力学。当前西方学者应用整体评价法以及全寿命评价法预测损伤强度，方法应用的过程中结合机械结构损伤强度进展情况，利用损伤强度测算公式构建机械机构疲劳损伤预测模型，通过观察预测模型来掌握疲劳损伤各阶段的进展情况。我国学者针对机械结构损伤破坏规律展开分析，并组织疲劳寿命试验以及疲劳损伤试验，得出机械设备细节疲劳额定值，据此分析机械结构余下的疲劳寿命值。我国专业学者应稳步、扎实探究机械结构疲劳损伤预测工作，这对机械结构可靠性增强有重要意义。

4.2 可靠性方法研究趋势

随着先进技术的不断发展，机械结构疲劳损伤在先进技术的支持下准确预测，并且研究结果数量不断增多，研究结果准确性大大提高。其中，CAD技术应用于可靠性设计，基于工程模型、结合先进技术完成可靠性设计任务，涉及方法主要有随机模型法、灵敏度法、变差传递法、容差多面体法等。此外，以传统设计方法为基础，利用丰富设计经验形成的可靠性方法，如田口法、广义模型法。需要注意的是，灵敏度分析法与极小化灵敏度分析法存在差异，前者适用于设计变量变差，后者适用于优选适合的设计变量，尽最大可能提高设备质量，保证机械结构稳定性和可靠性。数学模型构建的过程中，受工程模型稳健性影响较大，实际设计期间应掌握设计核心，针对已有问题以量化方法表达，同时，合理确定技术参数，充分发挥技术参数的正向作用。目前，机械结构可靠性方法以数学模型为导向，通过应用计算机技术为主线的智能算法来完成可靠性设计目标。

随着科学技术的不断发展，新兴学科大量出现，其中，机械结构疲劳寿命预测相关学科的成立，为疲劳学科常见问题处理提供了专业人才，进而能够突破疲劳问题分析阻力，充分发挥神经网络、遗传算法的应用优势，大大提高信息理论法、可靠性分析方法的利用率。目前，新兴学科间良好融合，为机械结构疲劳寿命预测与可靠性设计研究奠定了良好基础。